CN101435767B - 薄膜吸收多通道测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于大口径激光薄膜的薄膜吸收多通道测量装置及其测量方法，该装置由激励激光器、探测激光器、激励光衰减器、第一电子快门、激励光透镜组、探测光衰减器、反射镜、第二电子快门探测光衰减器、探测光透镜组、样品夹具、步进电机、滤波片、聚焦透镜、面阵CCD相机、快门驱动器、图像采集卡、数据卡以及计算机组成，本发明具有测量准确、快速、高效、运行稳定和数据处理自动化的特点。

Description

薄膜吸收多通道测量装置及测量方法

技术领域

本发明与激光薄膜的吸收测量有关，是一种适用于大口径激光薄膜元件的薄膜吸收多通道测量装置及其测量方法。

技术背景

光学薄膜吸收损耗是影响光学薄膜性能的重要参数，吸收损耗的存在降低了光学薄膜元件的损伤阈值，限制了激光系统的传输功率和传输质量。吸收损耗的准确测量对优化镀膜工艺和膜系设计，研究薄膜损伤机理十分重要。

在激光薄膜吸收特性的探测技术中，光热技术因具有极高的灵敏度和精确度成为理想的无损测量手段。表面热透镜技术采用大于激励光斑的单模探测激光进行测量，在保证调节方便的同时提高了稳定性。应用表面热透镜技术测量大口径薄膜样品时，通常借助传动平台对样品进行逐点测量。这种测量方法被称为栅扫描模式或单像素测量模式，本质上是一种单通道测量方法。

对于大口径激光薄膜元件，利用栅扫描模式难以完成对大口径激光薄膜整个膜面的吸收测量：一方面，测量单个样品所耗费的时间长达数十小时；另一方面，长时间测量由于激光器件的稳定性，影响测量的准确性。因此，建立一种薄膜样品吸收快速测量的仪器，对分析大口径薄膜的性能和损伤机理意义重大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述表面热透镜技术中单点扫描测量的不足，提供一种应用于大口径光学薄膜元件的薄膜吸收多通道测量装置及其测量方法。该装置应具有测量准确、快速、高效、运行稳定和数据处理自动化的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种应用于大口径激光薄膜的薄膜吸收多通道测量装置，其特点在于该装置由激励激光器、探测激光器、激励光衰减器、第一电子快门、激励光透镜组、探测光衰减器、反射镜、第二电子快门探测光衰减器、探测光透镜组、样品夹具、步进电机、滤波片、聚焦透镜、面阵CCD相机、快门驱动器、图像采集卡、数据卡以及计算机组成，上述各部件的位置关系如下：

步进电机驱动所述的的样品夹具，该样品夹具用于放置待测的薄膜样品；

激励光路，包括激励激光器，由该激励激光器发出的激励激光束依次经激励光衰减器、第一电子快门、激励光透镜组垂直照射在所述的薄膜样品的表面构成激励光斑；

探测光路，包括探测激光器，由该探测激光器发出的探测激光束依次经探测光衰减器、反射镜、第二电子快门、探测光透镜组扩束后倾斜地入射到所述的薄膜样品表面构成探测光斑，该探测光斑的中心与所述的激励光斑的中心重合；

由所述的薄膜样品表面反射的探测光束经滤波片、聚焦透镜后在面阵CCD相机上成像；

所述的面阵CCD相机的输出端接计算机的输入端，所述的图像采集卡和数据卡位于该计算机的插槽内，该计算机的输出端经快门驱动器分别与所述的第一电子快门和第二电子快门的控制端相连，该计算机的另一输出端接所述的步进电机的控制端。

在所述的激励激光器和激励光衰减器之间的激励光路上设有分束镜，在该分束镜的反射光路上设置激光功率计。

所述的激励激光器为红外基频激光器，或其二倍频或三倍频激光器；所述的探测激光器为He-Ne激光器。

所述的数据卡在所述的计算机的控制下产生同频率的激励脉冲列和探测脉冲列列经所述的快门驱动器分别驱动所述的第一电子快门和第二电子快门，在一个相对相位变化的周期内，所述的激励脉冲列和探测脉冲列列之间的相对相位通过计算机设定。

所述的面阵CCD相机具有百万或百万以上的像素，其图像由所述的图像采集卡采集。

利用上述的薄膜吸收多通道测量装置测量薄膜吸收的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将待测薄膜样品固定在所述的样品夹具中；

②启动激励激光器和探测激光器，分别调节激励光衰减器和探测光衰减器，设定激励激光功率和探测激光功率；

③打开所述的快门驱动器电源、面阵CCD相机电源和步进电机电源；

④调整探测激光束和激励激光束在所述的薄膜样品表面重合，并观察到反射的探测光束出现衍射环图样，在激励光路中插入挡板；

⑤启动测量程序，在计算机的程序主界面上设定：

待测薄膜样品的光斑区域数目；

步进电机步长；

数据卡产生的激励脉冲列和探测脉冲列的四个脉冲串的频率、脉冲数、占空比和初相位差；

数据存储路径；

⑥撤掉激励光路的挡板，点击测量主界面的启动按钮开始测量：所述的计算机对所述步进电机发出传动脉冲，移动所述的薄膜样品，使所述的探测激光束和激励激光束进入到第一个待测的光斑区域；

⑦所述的计算机同时启动所述激励激光器和探测激光器分别发射出激励激光束和探测激光束，同时在所述的计算机的控制下，所述的数据卡根据上述设定产生具有相同频率、脉冲数和占空比的四个脉冲串组成的激励脉冲列和探测脉冲列，但所述的激励脉冲列的四个脉冲串和探测脉冲列的四个脉冲串的初相位差依次为φ_n＝0、π/2、π、3π/2，经所述的快门驱动器(16)分别驱动所述的第一电子快门和第二电子快门，分别调制所述的激励激光束和探测激光束，受调制的激励激光束经所述的激励光透镜组垂直照射在所述的薄膜样品的表面产生热透镜效应；受调制的探测激光束经所述的探测光透镜组扩束后倾斜地入射到所述的薄膜样品表面；由所述的薄膜样品表面反射的探测光束带有薄膜样品热透镜效应的信息，经滤波片、聚焦透镜后在面阵CCD相机上成像，该面阵CCD相机得到对应于所述的探测激光束调制的四个脉冲串的探测信号为分别为S₀、S_π/2、S_π、S_3π/2，经所述的图像采集卡采集并存入所述的计算机；所述的计算机按下式运算，得到薄膜样品激励区域内所有各点上的反映吸收信号的光学锁相信号的幅值和相位：

并存入所述的计算机，即完成所述的薄膜样品的表面的一个光斑区域的测量；

⑧所述的计算机对所述步进电机发出传动脉冲，移动所述的薄膜样品到下一个待测的光斑区域，所述的计算机同时驱动所述激励激光器和探测激光器分别发射出激励激光束和探测激光束，重复第⑦步，完成下一个光斑区域的测量；

⑨重复第⑧步，直至所述的薄膜样品最后一个光斑区域的测量完成；

⑩所述的计算机的测量界面显示“测量完成”，程序处于等待状态，点击停止按钮可终止测量，点击退出按钮退出测量程序。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用扩展的激励光束和探测光束，对样品的测量范围大，能实现对激励区域内各点的多通道测量；

2、本发明采用光学锁相方法实现对薄膜全场弱吸收信号的检测，测量效率高；

3、本发明采用电子快门作为调制器，数字可控，调制精度高；

4、本发明采用数据卡作为脉冲发生源，信号精度高而且稳定；

5、本发明采用高像素面阵CCD相机，空间分辨率高，测量精度好；

6、本发明采用计算机软件控制测量过程，集成性好，自动化高，操作简便。

附图说明

图1是本发明薄膜吸收多通道测量装置结构示意图

图2是本发明多通道测量装置驱动脉冲图

图3是测量程序流程图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明薄膜吸收多通道测量装置实施例的结构示意图。由该图可见，本发明薄膜吸收多通道测量装置由激励激光器1、探测激光器2、分束镜3、激励光衰减器4、第一电子快门5、激励光透镜组6、探测光衰减器7、反射镜8、第二电子快门9探测光衰减器7、探测光透镜组10、样品夹具11、步进电机12、滤波片13、聚焦透镜14、面阵CCD相机15、快门驱动器16、图像采集卡19、数据卡20、计算机17和激光功率计18组成，的反射光路上设置上述各部件的位置关系如下：

步进电机12驱动所述的样品夹具11，该样品夹具11用于放置待测的薄膜样品；

激励光路，包括激励激光器1，由该激励激光器1发出的激励激光束依次经分束镜3、激励光衰减器4、第一电子快门5、激励光透镜组(6)垂直照射在所述的薄膜样品的表面形成激励光斑；

探测光路，包括探测激光器2，由该探测激光器2发出的探测激光束依次经探测光衰减器7、反射镜8、第二电子快门9、探测光透镜组10扩束后倾斜地入射到所述的薄膜样品表面形成探测光斑，该探测光斑的中心与所述的激励光斑的中心重合；

由所述的薄膜样品表面反射的探测光束经滤波片13、聚焦透镜14后在面阵CCD相机15上成像；

所述的面阵CCD相机15的输出端接计算机17的输入端，所述的图像采集卡19和数据卡20插在该计算机17内的插槽中，该计算机17的输出端经快门驱动器16分别与所述的第一电子快门5和第二电子快门9的控制端相连，该计算机17的另一输出端接所述的步进电机12的控制端。

在该分束镜3的反射光路上设置所述的激光功率计18。

所述的激励激光器1为红外基频激光器，或其二倍频或三倍频激光器；所述的探测激光器2为He-Ne激光器。

所述的面阵CCD相机15具有百万或百万以上的像素，其图像由所述的图像采集卡19采集。

利用上述的薄膜吸收多通道测量装置测量薄膜吸收的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将待测薄膜样品固定在所述的样品夹具11中；

②启动激励激光器1和探测激光器2，分别调节激励光衰减器4和探测光衰减器7，设定激励激光功率和探测激光功率；

③打开所述的快门驱动器16电源、面阵CCD相机15电源和步进电机12电源；

④调整探测激光束和激励激光束在所述的薄膜样品表面重合，并观察到反射的探测光束出现衍射环图样，在激励光路中插入挡板；

⑤启动测量程序，在计算机17的程序主界面上设定：

待测薄膜样品的光斑区域数目；

步进电机12步长；

数据卡20产生的激励脉冲列A和探测脉冲列B的四个脉冲串的频率、脉冲数、占空比和初相位差；

数据存储路径；

⑥撤掉激励光路的挡板，点击测量主界面的启动按钮开始测量(所述的测量程序流程如图3所示)：所述的计算机17对所述步进电机12发出传动脉冲，移动所述的薄膜样品，使所述的探测激光束和激励激光束进入到第一个待测的光斑区域；

⑦所述的计算机17同时驱动所述激励激光器1和探测激光器2分别发出激励激光束和探测激光束，同时在所述的计算机17的控制下，所述的数据卡20根据上述设定产生具有相同频率、脉冲数和占空比的四个脉冲串组成的激励脉冲列A和探测脉冲列B，但所述的激励脉冲列A的四个脉冲串和探测脉冲列B的四个脉冲串的初相位差依次为φ_n＝0、π/2、π、3π/2，如图2所示，由图可见，所述的探测脉冲列列B与激励脉冲列A具有相同的频率、脉冲数和占空比；它们的初相位差按照0，π/2，π，3π/2周期变化。所述的面阵CCD相机15的触发脉冲C，该触发脉冲C与探测脉冲列B的初相位相同，即当探测脉冲列B发出时同时触发面阵CCD相机的采集；所述四个相位下的探测信号被所述面阵CCD相机15分别记录。各个相位状态内，所述触发脉冲C的正脉冲持续时间为探测脉冲列的周期之和。经所述的快门驱动器16分别驱动所述的第一电子快门5和第二电子快门9，分别调制所述的激励激光束和探测激光束，受调制的激励激光束经所述的激励光透镜组6垂直照射在所述的薄膜样品的表面产生热透镜效应；受调制的探测激光束经所述的探测光透镜组10扩束后倾斜地入射到所述的薄膜样品表面；由所述的薄膜样品表面反射的探测光束带有薄膜样品热透镜效应的信息，经滤波片13、聚焦透镜14后在面阵CCD相机15上成像，该面阵CCD相机得到对应于所述的探测激光束调制的四个脉冲串的探测信号为分别为S₀、S_π/2、S_π、S_3π/2，经所述的图像采集卡19采集并存入所述的计算机17；所述的计算机17按下式运算，得到薄膜样品光斑区域内所有各点上的反映吸收信号的光学锁相信号的幅值和相位：

并存入所述的计算机17，即完成所述的薄膜样品的表面的一个光斑区域的测量；

⑧所述的计算机17对所述步进电机12发出传动脉冲，移动所述的薄膜样品到下一个待测的光斑区域，所述的计算机17同时驱动所述激励激光器1和探测激光器2分别发出激励激光束和探测激光束，重复第⑦步，完成下一个光斑区域的测量；

⑨重复第⑧步，直至所述的薄膜样品最后一个光斑区域的测量完成；

⑩所述的计算机17的测量界面显示“测量完成”，程序处于等待状态，点击停止按钮可终止测量，点击退出按钮退出测量程序。

Claims (6)

1.一种应用于大口径激光薄膜的薄膜吸收多通道测量装置，其特征在于该装置由激励激光器(1)、探测激光器(2)、激励光衰减器(4)、第一电子快门(5)、激励光透镜组(6)、探测光衰减器(7)、反射镜(8)、第二电子快门(9)、探测光透镜组(10)、样品夹具(11)、步进电机(12)、滤波片(13)、聚焦透镜(14)、面阵CCD相机(15)、快门驱动器(16)、图像采集卡(19)、数据卡(20)以及计算机(17)组成，上述各部件的位置关系如下：

步进电机(12)驱动所述的样品夹具(11)，该样品夹具(11)用于放置待测的薄膜样品；

激励光路，包括激励激光器(1)，由该激励激光器(1)发出的激励激光束依次经激励光衰减器(4)、第一电子快门(5)、激励光透镜组(6)垂直照射在所述的薄膜样品的表面形成激励光斑；

探测光路，包括探测激光器(2)，由该探测激光器(2)发出的探测激光束依次经探测光衰减器(7)、反射镜(8)、第二电子快门(9)、探测光透镜组(10)扩束后倾斜地入射到所述的薄膜样品表面形成探测光斑，该探测光斑的中心与所述的激励光斑的中心重合；

由所述的薄膜样品表面反射的探测光束经滤波片(13)、聚焦透镜(14)后在面阵CCD相机(15)上成像；

所述的面阵CCD相机(15)的输出端接计算机(17)的输入端，所述的图像采集卡(19)和数据卡(20)插在该计算机(17)内的插槽中，该计算机(17)的输出端经快门驱动器(16)分别与所述的第一电子快门(5)和第二电子快门(9)的控制端相连，该计算机(17)的另一输出端接所述的步进电机(12)的控制端。

2.根据权利要求1所述的薄膜吸收多通道测量装置，其特征在于在所述的激励激光器(1)和激励光衰减器(4)之间的激励光路上设有分束镜(3)，在该分束镜(3)的反射光路上设置激光功率计(18)。

3.根据权利要求1所述的薄膜吸收多通道测量装置，其特征在于所 述的激励激光器(1)为红外基频激光器，或其二倍频或三倍频激光器；所述的探测激光器(2)为He-Ne激光器。

4.根据权利要求1所述的薄膜吸收多通道测量装置，其特征在于所述的数据卡(20)在所述的计算机(17)的控制下产生同频率的激励脉冲列(A)和探测脉冲列(B)，经所述的快门驱动器(16)分别驱动所述的第一电子快门(5)和第二电子快门(9)，在一个初相位变化的周期内，所述的激励脉冲列(A)和探测脉冲列(B)之间的初相位差通过计算机(17)设定。

5.根据权利要求1所述的薄膜吸收多通道测量装置，其特征在于所述的面阵CCD相机(15)具有百万或百万以上的像素，其图像由所述的图像采集卡(19)采集。

6.利用权利要求1所述的薄膜吸收多通道测量装置测量薄膜吸收的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将待测薄膜样品固定在所述的样品夹具(11)中；

②启动激励激光器(1)和探测激光器(2)，分别调节激励光衰减器(4)和探测光衰减器(7)，设定激励激光功率和探测激光功率；

③打开所述的快门驱动器(16)电源、面阵CCD相机(15)电源和步进电机(12)电源；

④调整探测激光束和激励激光束在所述的薄膜样品表面重合，并观察到反射的探测光束出现衍射环图样，在激励光路中插入挡板；

⑤启动测量程序，在计算机(17)的程序主界面上设定：

待测薄膜样品的光斑区域数目；

步进电机(12)步长；

数据卡(20)产生的激励脉冲列(A)和探测脉冲列(B)的四个脉冲串的频率、脉冲数、占空比和初相位差；

数据存储路径；

⑥撤掉激励光路的挡板，点击测量主界面的启动按钮开始测量：所述的计算机(17)对所述步进电机(12)发出传动脉冲，移动所述的薄 膜样品，使所述的探测激光束和激励激光束进入到第一个待测的光斑区域；

⑦所述的计算机(17)同时驱动所述激励激光器(1)和探测激光器(2)分别发出激励激光束和探测激光束，同时在所述的计算机(17)的控制下，所述的数据卡(20)根据上述设定产生具有相同频率、脉冲数和占空比的四个脉冲串组成的激励脉冲列(A)和探测脉冲列(B)，但所述的激励脉冲列(A)的四个脉冲串和探测脉冲列(B)的四个脉冲串的初相位差依次为φ_n＝0、π/2、π、3π/2，经所述的快门驱动器(16)分别驱动所述的第一电子快门(5)和第二电子快门(9)，分别调制所述的激励激光束和探测激光束，受调制的激励激光束经所述的激励光透镜组(6)垂直照射在所述的薄膜样品的表面产生热透镜效应；受调制的探测激光束经所述的探测光透镜组(10)扩束后倾斜地入射到所述的薄膜样品表面；由所述的薄膜样品表面反射的探测光束带有薄膜样品热透镜效应的信息，经滤波片(13)、聚焦透镜(14)后在面阵CCD相机(15)上成像，该面阵CCD相机得到对应于所述的探测激光束调制的四个脉冲串的探测信号分别为S₀、S_π/2、S_π、S_3π/2，经所述的图像采集卡(19)采集并存入所述的计算机(17)；所述的计算机(17)按下式运算，得到薄膜样品光斑区域内所有各点上的反映吸收信号的光学锁相信号的幅值和相位：

并存入所述的计算机(17)，即完成所述的薄膜样品的表面的一个光斑区域的测量；

⑧所述的计算机(17)对所述步进电机(12)发出传动脉冲，移动所述的薄膜样品到下一个待测的光斑区域，所述的计算机(17)同时驱动所述激励激光器(1)和探测激光器(2)分别发射出激励激光束和探测激光束，重复第⑦步，完成下一个光斑区域的测量；

⑨重复第⑧步，直至所述的薄膜样品最后一个光斑区域的测量完成； 

⑩计算机(17)的测量界面显示“测量完成”，程序处于等待状态，点击停止按钮可终止测量，点击退出按钮退出测量程序。 

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